园子沟煤矿东翼回风立井冻结法施工技术

张海荣，王 萌，吕文玉

(1.榆林职业技术学院，陕西 榆林 719000；2.中国煤炭科工集团 北京华宇工程有限公司西安分公司，陕西 西安 710075；3.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054)

冻结法施工最早于1883年由德国工程师提出，此后在世界各地得到了广泛应用[1]。冻结法是用人工制冷的方法，将地下工程周围含水岩土层冻结封闭，形成一个按照设计轮廓的冻土墙或密闭的冻土体，用以抵抗岩土压力，隔绝地下水，并在冻土墙的保护下进行地下工程施工的一种岩土特殊施工方法，常用于立井工程[2]。我国于1955年首次在唐山开滦集团林西煤矿回风立井应用冻结法施工，并取得成功。随后，在我国中、东部地区煤矿深厚冲积层条件立井井筒的施工中广泛应用。近年来，随着国家西部大开发战略的实施，西部地区煤炭资源开采大规模进行，与中、东部地区新井建设相比，西部地区具有井筒直径大、白垩系和侏罗系地层强度低、孔隙型含水层厚、埋藏深、水头高等特点。由于地层以孔隙含水为主，可注性差，采用注浆法施工风险较大，冻结法施工因封水效果可靠且工艺较为成熟备受青睐[3-5]。

1 工程概况

永陇矿区麟游区园子沟矿井位于陕西省麟游县境内，属页岭以北的陇东黄土高原南部边缘地带，西邻陇山，南为渭河盆地，向东、向北属渭北黄土高原。总的地形特征呈东南高西北低，属川梁相间残塬沟壑地貌[6]。矿井采用“三条立井”(分别为主立井、副立井和回风立井)单一水平开拓全井田，建设规模800万t/a，目前正在建设阶段。因后期生产需要，矿井拟在东翼102盘区北部边界线附近增加一条回风立井，井筒垂深515m，净直径6.0m，装备梯子间，主要承担井田东翼回风任务，兼作安全出口。

为了给井筒设计及施工提供可靠的地质、工程地质及水文地质资料，在井筒中心线以外17.80m处施工了一个井筒检查钻孔。根据井筒检查钻孔揭露，井筒地层由老到新依次为：三叠系中统铜川组，侏罗系下统富县组、中统延安组、直罗组、安定组，白垩系下统宜君组、洛河组、华池组，第四系全新统地层。井筒区地层产状较平缓，地质构造简单，断裂不发育。井筒自上而下穿过的含水层依次为：第四系冲、洪积层孔隙潜水含水层、白垩系下统洛河组砂砾岩孔隙～裂隙含水层、白垩系下统宜君组砾岩裂隙含水层、侏罗系中统直罗组砂岩裂隙含水层、侏罗系中统延安组煤层及砂岩含水层，含水层涌水量预测结果见表1。

表1 井筒各含水层涌水量预测结果一览表

经计算，第四系、洛河组、宜君组合计涌水量为94.65m3/h。结合矿井已施工三条井筒的施工经验，确定东翼回风立井表土段及白垩系地层含水层段均采用冻结法施工，白垩系地层以下的侏罗系地层采用普通法施工[7，8]。

2 井筒冻结施工设计

2.1 井筒冻结深度

井筒冻结深度必须穿过冲积层、风化带深至稳定基岩10m以上，或超过永久支护5～8m[9-11]。根据井筒地层条件及涌水量，确定冻结深度为进入安定组隔水层15m，则冻结深度为313m。

2.2 井壁结构分段

适当对井筒深度不同选择不同的井壁分段，不仅可以节省投资更能加快施工进度。井壁分段处需选择在岩层力学性质相对完整或者不透水岩层的位置[12]。这样可以减少井筒井壁应力集中的问题，并降低井筒井壁解冻后涌水从变断面处透入井筒的问题。依据往常设计经验，一般将井壁每150m左右分为一段，分段处的上、下井壁总厚度之差控制在300mm为宜。本井筒冻结深度为313m，分上下两段冻结，上段0～-158m，下段-158～-313m；冻结段底部为整体浇筑的壁座，冻结段以下为普通法施工段。井壁结构如图1所示。

图1 井壁结构示意图

2.3 冻结井壁结构设计

采用冻结法在不稳定含水地层中建设井筒，冻结井壁的形成和维护是其施工的核心。冻结井壁设计包括厚度和温度场的计算，它与井筒的施工深度、大小、地质条件和所采用的冻结方式有关。

根据水文地质、井筒直径等条件及使用要求，冻结井壁选择带夹层的双层复合井壁结构形式。外层井壁应满足承受冻结压力及井壁吊挂、抗裂、稳定性计算的要求，采用单层钢筋混凝土砌碹支护结构，混凝土等级C40；内壁应满足承受水压和竖向荷载的要求，采用双层钢筋混凝土砌碹支护结构，混凝土等级C50；双层井壁应满足整体承受永久水土压力及竖向荷载的要求。

根据《煤矿立井井筒及硐室设计规范》(GB 50384—2016)，冻结井壁厚度按式(1)计算：

P=υkPk

(3)

2.3.1 0～-158m段井壁厚度计算

1)0～-158m段内层井壁厚度计算。此段井壁净半径rn1=3000mm。内层井壁采用C50混凝土，fc1=23.1N/mm2，代入式(2)得：钢筋混凝土井壁强度设计值fs1=26.1N/mm2。此段井壁承受的均匀载荷为静水压力：Pk1=ρwkH=1.58MPa，式中，ρw为水的似重力密度，取0.01MN/m3；k为水压系数，取1；H为计算处水头埋深，取158m。

设计荷载安全系数νk1=1.35，代入式(3)得：P1=2.133MPa；将相关数据带入式(1)得：内层井壁厚度t1=280mm。

根据《煤矿立井井筒及硐室设计规范》(GB 50384—2016)第6.3.2条：冻结段井筒内层、外层井壁厚度均不应小于300mm，取t1=400mm。

2)0～-158m段外层井壁厚度计算。此段井壁净半径rn2=3400mm；外层井壁采用C40混凝土，fc2=19.1N/mm2，代入式(2)得：钢筋混凝土井壁强度设计值fs2=22.1N/mm2，此段井壁承受的均匀载荷为冻结压力：Pk2=1.5MPa。

设计荷载安全系数νk2=1.05，代入式(3)得：P2=1.575MPa，将相关数据带入式(1)得：外层井壁厚度t2=362mm，取400mm。

2.3.2 -158～-313m段井壁厚度计算

1)-158～-313m段内层井壁厚度计算。此段井壁净半径rn3=3000mm。钢筋混凝土井壁强度设计值fs3=26.1N/mm2。此段井壁承受的均匀载荷为静水压力：Pk3=ρwkH=3.13MPa，式中，ρw为水的似重力密度，取0.01MN/m3；k为水压系数，取1；H为计算处水头埋深，取313m。

设计荷载安全系数νk3=1.35，代入式(3)得：P3=4.226MPa；将相关数据带入式(1)得：内层井壁厚度t3=648mm，取700mm。

2)-158～-313m段外层井壁厚度计算。此段井壁净半径rn4=3700mm；钢筋混凝土井壁强度设计值fs4=22.1N/mm2；此段井壁承受的均匀载荷为冻结压力：Pk4=2.7MPa。

设计荷载安全系数νk4=1.05，代入式(3)得：P4=2.835MPa；将相关数据带入式(1)得：外层井壁厚度t4=591mm。

该矿井已施工主立井(井筒直径8.2m)和副立井(井筒直径9.2m)冻结段外层井壁厚度为450mm，回风立井(井筒直径7.5m)冻结段外层井壁厚度为400mm。根据工程类比法，此段外层井壁厚度取400mm。

2.3.3 井壁计算厚度论证

设计采用工程类比法对井壁计算厚度进行论证。在宝鸡和咸阳地区，与该矿井地质条件相似的矿井有招贤矿井、胡家河矿井、孟村矿井及小庄矿井，设计对以上矿井井筒施工方法及井壁结构进行了调查，见表2。

表2 邻近矿井井筒施工方法及井壁结构调查表

该矿井东翼回风立井0～-158m段内层井壁厚400mm，外壁外层井壁厚400mm；-158～-313m段内层井壁厚700mm，外壁外层井壁厚400mm。经对比分析，井壁计算厚度较为合理。

2.4 壁座结构设计

根据《煤矿立井井筒及硐室设计规范》(GB 50384—2016)第6.3.2条：冻结凿井法井筒掘砌的底部必须将内、外层井壁整体浇筑作为壁座；壁座厚度不应小于内、外层井壁厚度之和，设计取值为内、外层井壁厚度之和1100mm；壁座高度应根据围岩强度、壁座所承受的载荷计算，但不应小于4m。

壁座高度按式(4)计算：

式中，hb为壁座整体浇筑段高度，m；Gn为壁座以上内层井壁重力计算值，MN，计算得Gn=167.2MN；rnw为内层井壁外半径，取3.7m；[fj]为混凝土容许抗剪强度，C50混凝土取1.54MN/m2。

将数据代入式(4)得：hb=4.7m，取hb=10m。

2.5 井壁配筋设计

冻结段外壁配单层Φ22mm钢筋，配筋间隙250mm；冻结上段内壁配双层Φ22mm钢筋，冻结下段内壁配双层Φ25mm钢筋，配筋间隙250mm。钢筋保护层厚度，内缘钢筋为50mm，外缘钢筋为70mm。井壁各段全截面配筋率均大于0.4%，满足规范要求。

2.6 泡沫塑料板与塑料夹层的铺设

为保证内外井壁结构完整，设计在冻结壁与现浇混凝土外层井壁之间铺设50mm厚的泡沫塑料板，可有效防止膨胀性土层迅速增长的初期冻结压力对井壁的破坏，起到缓卸压力的作用。在内外层井壁之间铺设双层1.5mm厚聚乙烯塑料夹层，可使内外层井壁较为自由地做相对位移，避免因温差过大而产生温度应力并拉裂井壁。

2.7 井壁后及井壁间注浆

为提高井筒外部岩层的整体强度，设计在内壁套壁结束后冻土解冻初期进行壁后注浆，对井筒外壁后的裂隙注浆封堵。为防止冻结壁解冻后含水层涌水进入塑料夹层壁间，降低壁间静水压力，减少内壁承载力，设计在内壁套壁结束后实施塑料夹层壁间注浆，充填井壁间隙、裂缝。

3 施工期间注意事项

冻结法施工属于特殊凿井技术，在施工期间要注意以下事项：

1)冻结法施工期间为确保冷却循环水的供给，施工场地内必须合理布置水源井的位置。为了保障地下水正常的流通，避免地下水流通增大，影响冻结壁交圈效果，最好在冻结井筒以及其降水漏斗影响的范围以外或者是地下水的上游布置水源井。

2)冻结速度、开挖时间以及施工速度之间要合理配合，否则会造成冻结管断裂、外层井壁压裂等工程事故。

3)为了保障塑料夹层的完整性、隔水性，施工期间要避免塑料夹层受到挤压、碰撞等破坏。

4 结 论

1)在园子沟煤矿东翼回风立井冻结井壁结构设计过程中，严格遵循设计规范，通过详细的计算校核，考虑了多种因素对冻结井筒井壁厚度的影响，并结合园子沟矿井以往井筒施工经验，合理地确定了冻结施工所需要的各项参数，保证了冻结井筒井壁结构设计的正确性和合理性。

2)目前，西北地区已成为我国主要煤炭生产地，相对于中、东部地区的深厚不稳定冲积层，需要解决的是在深厚含水基岩中的建井问题。随着新矿井的不断开发建设，冻结法施工已成为西北地区含水基岩井筒施工的主要方法，园子沟煤矿东翼回风立井冻结法施工对相似地质条件及矿区周边矿井提供了工程实例和技术经验。